磷酸鎂水泥改性研究進展

摘要：磷酸鎂水泥（MPC）是一種早期強度大、體積收縮率小、耐磨性能好的新型水泥，已在工程中得到大量應用。但摻合物對MPC性能影響巨大，論文針對摻合物對MPC的抗壓強度、韌性、凝結速度等性能影響進行了綜述，總結了現有研究成果，給出了未來研究建議與展望，為MPC改性研究提供了相關參考。

關鍵詞：磷酸鎂水泥；摻合物；改性

MPC發現于上世紀40年代，起初主要用于醫學相關領域。上世紀80年代開始，隨著各種添加劑的改性作用，MPC開始作為新型水泥應用于建筑行業[1]。與傳統水泥相比，其早期強度高、耐磨性好、收縮率低、抗侵蝕能力強，在機場跑道、公路、橋梁等領域具有廣泛的應用前景。但MPC的綜合成本高、韌性相對差、凝結速度過快等缺點一定程度上限制了MPC應用推廣[2-5]。為改善MPC綜合性能，大量學者通過加入不同添加劑的方法對MPC進行改性研究。本文總結了學者們的研究成果，綜述了不同添加劑對MPC的抗壓強度、韌性、凝結速度等性能的影響，為MPC改性研究提供一定參考。

一、抗壓強度

抗壓強度是衡量水泥性能好壞的主要指標之一，其影響因素復雜多變。MPC具有早期抗壓強度高的特點，但中后期抗壓強度性能平常。MPC抗壓強度除了受初始原材料配比影響外，添加劑也是重要的影響因素。通過適當的添加劑改性，可在一定程度上提高其綜合抗壓性能。目前常用的增強抗壓強度的添加劑有鋼渣、粉煤灰、偏高嶺土、石灰石粉、硼砂、鋼纖維等。

李悅等[6]研究了鋼渣對MPC抗壓強度的影響，對比了不同鋼渣摻量和不同齡期MPC抗壓強度的變化。結果表明，抗壓強度隨鋼渣摻量存在先增加后降低的變化趨勢。峰值點出現在摻量為15%時，28d抗壓強度相比未添加鋼渣樣本提高11.4%，增強效果顯著。馬越等[7]從原理出發分析，認為鋼渣能提高抗壓強度的根本原因在于鋼渣的微集效應和水化活性以及對物料分布的改善，整體來說對早期強度影響更明顯。

李國新等[8]采用粉煤灰對MPC性能進行改善，研究表明，粉煤灰對各齡期MPC抗壓強度均有一定的提升作用，但隨著摻量增大，強度反而減小。在摻量為10%時，抗壓強度達到最大。張思宇等[9]通過實驗的方法得到了近似的結論，并對比得到晚期MPC受抗壓強度受粉煤灰影響更大。粉煤灰影響抗壓強度的關鍵在于低摻量時其作為填充物使得水泥漿空隙得到改善，提高抗壓性能；而高摻量時粉煤灰中的多孔顆粒吸水，抑制了磷酸鎂銨晶體的發育。

偏高嶺土通過產生大量水化產物對提升MPC抗壓強度起到一定的效果。楊輝等[10]綜合研究了偏高嶺土的摻量對MPC各階段力學性能和凝結時間等性能的影響。結果表明各齡期MPC抗壓強度均由提高，當摻量為15%時力學性能達到最佳，其28d抗壓強度相比未添加樣本提升43.8%。偏高嶺土摻量過大反而會導致水化產物減少，從而降低力學性能。

齊浩霖等[11]對硼砂摻量對不同齡期MPC性能的影響進行了研究，實驗結果顯示，硼砂對MPC后期強度提升較大，摻量在11%時，抗壓強度提升效果最佳，而后抗壓強度急劇下降。SEM結果表明，MPC水化產物在硼砂摻量過大時會出現大量裂縫和缺陷，這是抗壓強度降低的根本原因。盧俊伯[12]分析了MPC原料配比對抗壓強度和初凝時間的影響，通過正交實驗，表明硼砂摻量11%時，綜合力學性能最好，其中28d抗壓強度達到36.4MPa。

賈興文等[13]分析了鋼纖維對MPC力學性能增長的機制和影響規律，對比了不同纖維尺寸和摻量對MPC抗壓強度的影響。鋼纖維的加入整體提高了MPC抗壓強度，其中25mm鋼纖維對早期抗壓強度提升效果最好，而13mm鋼纖維則對長期綜合性能有更明顯的提升，最佳摻量為2.5%。文獻[14-15]在實驗中得到了類似的結果，均表明鋼纖維對提升MPC抗壓性能效果顯著。

摻合物對MPC抗壓性能影響總結如表1。綜合來看，上述摻合物對提升MPC抗壓強度均由一定成效，摻量對抗壓強度的影響趨勢均為先增加后降低的趨勢，原理上大多為添加劑替補了水泥漿縫隙，提高了水化產物。

二、韌性

MPC的高脆性低韌性是限制其應用的主要缺點之一。增韌一直是MPC改性的重點研究方向之一。實驗研究表明鋼纖維的摻入對MPC增韌效果顯著，當鋼纖維摻量為1.6%時，其抗沖擊韌性系數達到空白對照組的14.84倍。摻量過大則由于鋼纖維表面積過大，漿體對其包裹不充分，導致韌性下降[16]。鋼纖維對提高彎曲韌性也有一定的作用。楊正宏等[17]研究了鋼纖維對MPC韌性的影響，結果表明微細鋼纖維自身的高抗拉強度使之與MPC基體結合有助于控制裂縫發展，提高MPC的韌性，在摻量為1.6%時，MPC綜合韌性達到最高，并且其強度性能也有一定增加。聚合物乳液在MPC增韌中也有一定的應用，黃煜鑌等[18]研究表明EVA的摻入可以和使MPC水化產物更致密，從而影響其斷裂能。EVA摻量<3%時，改性效果不明顯；摻量>6%時，斷裂能增長趨勢放緩；在摻量為12%時，其對MPC斷裂能的提升能達到50%以上。楊建明等[19]發現玻璃纖維織物與MPC基體之間有較好的黏結力，能在一定程度上增加MPC韌性，同時可大幅提升試件的抗彎強度。劉軍等[20]通過實驗研究了不同尺寸玻璃纖維對MPC力學性能的影響，結果表明當玻璃纖維摻量為1.2%時，纖維尺寸為6mm時，MPC韌性最佳。摻合物對MPC韌性影響總結見表2。

三、凝結速度

MPC反應迅速，凝結速度過快，使其工程可控性較差，降低MPC凝結速度是MPC水泥重點研究方向之一。摻合緩凝劑是降低MPC凝結速度的有效方法，常用的緩凝劑有硼砂、硼酸、三聚磷酸鈉（STP）等。三種緩凝劑緩凝效果由高到低依次為，硼酸、硼砂、三聚緩磷酸鈉。凝劑主要通過降低MPC水化峰值溫度、減緩水化反應速率從而達到緩凝效果[21]。然而眾多文獻研究表明，單一緩凝劑的加入會嚴重影響MPC的強度性能[22-24]，尤其是早期強度，其中硼酸的加入對力學性能降低最明顯，且該趨勢隨硼酸摻量增加不斷增強。復合緩凝劑可以有效解決緩凝和強度降低之間的矛盾。曹佳等[25]研究發現硼砂-木質素磺酸鈣復合緩凝劑的摻入對強度幾乎無影響，但凝結時間可以延長30%，可有效延緩MPC凝結。楊輝等[26]對比研究了單摻硼砂、蔗糖與二者復合摻入對MPC緩凝與力學性能的影響，表明硼砂-蔗糖復合緩凝劑相比單一緩凝劑不僅能增長凝結時間，還能提高MPC力學性能，可有效改善緩凝和力學性能降低之間的矛盾。段新勇等[27]研制了一種硼砂、十二水合磷酸氫二鈉和氯化鈣三元復合緩凝劑，實驗表明其所制緩凝劑在三種組元比例為1：3：1時，摻入比例為10%時，其緩凝和力學綜合性能最佳，其緩凝性能明顯優于單摻硼砂的最優效果，后期強度也高于單摻硼砂。表3總結了緩凝劑的最佳比例和效果。

四、總結與展望

MPC的高性能使之在機場、公路、橋梁等基建方面具有廣泛的應用前景，但其高成本、韌性差、凝結速度快等缺點也限制了其應用推廣。MPC改性研究具有重要工程意義。目前MPC改性在其力學性能改進、增韌、緩凝等方面已取得較多成果。力學性能改進以礦物質單摻為主，可明顯改善各階段力學性能。增韌方面則以纖維類物質單摻為主，通過纖維物質的高強度和黏結力改善MPC高脆性的缺點。緩凝方面由于單摻會較大程度影響其力學性能，而復摻可一定程度克服該弊端，故最新研究以復摻為主，主要以硼砂基礎摻合物，輔以其他緩凝物共同作用，整體緩凝性和力學性能更加平衡。

已有的研究成果更多集中在實驗數據整理和實驗現象總結，在MPC改性原理研究上缺乏深度，摻合物對生產工藝和生產成本的影響也少有研究，是未來值得深入開展的研究方向。MPC的快凝性使得MPC水泥的施工工藝也需要相應改進。

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作者簡介：岑會（1995—??），女，漢族，四川成都人，助理工程師，研究方向：建筑工程